ננוטכנולוגיה שינתה את הנוף של פיתוח חיישן ביוכימי, המאפשר פלטפורמות זיהוי שהן פקודות של גודל רגיש יותר וסלקטיבי יותר מאשר שיטות קונבנציונליות. על ידי ניצול התכונות הפיזיות, הכימיות והביולוגיות הייחודיות שמופיעות ב-Nanoscale (1–100 nm), החוקרים יצרו חיישנים המסוגלים לזהות כמויות נרחבות של סממנים ביולוגיים, חומרים סביבתיים, ופתולוגים אלה הם המניעים בטכנולוגיות טיפוליות, מעקבים, מעקבים, לאחר טיפול פסיכולוגי, כדי להתגבר על פני מנגנונים סביבתיים, לאחר שימוש אמיתי, מעקבים, מעקבים, כדי להתגבר על פני מנגנונים חיוניים, מעקבים, מעקבים, מעקבים, מעקבים, מעקבים.

מימון של ננוטכנולוגיה ב Sensing

במידות מתחת 100 nm, חומרים מציגים תופעות תלויות בגודל כגון הגבלת קוונטית, עלייה פני השטח-שטח-שטח-to-volume יחס, ומשתנים מצבים אלקטרוניים.מאפיינים אלה נהנים ישירות ביצועי חיישן.שטח משטח גבוה מספק אתרים מחייבים יותר עבור נוגדנים מטרה, בעוד אפקטים קוונטיים יכולים לייצר רמות אנרגיה דיסקרטיות או אותות חשמליים.

עקרונות המפתח של ננו-חומרים ועקרונות התפעול שלהם

כמה כיתות של ננו-חומריות הוכיחו יעילות במיוחד בחישה ביוכימית.כל אחד מציע יתרונות נפרדים המבוססים על התכונות הפיזיות והכימיקליות שלו.

חלקיקים זהב

חלקיקים זהב (AuNPs) הועסקו נרחב בחישה Colorimetric בשל מכשירים חזקים משטח plasmon resonance (LSPR) כאשר מולקולות אנאליות נקשרות על פני השטח של AuNPs פונקציונליים, זה גורם ggregation או שינוי במרחק בין חלקיקים, שינוי שיא הקלט ומייצרת שינוי צבע גלוי.

פחמן ננופס

ננו-בוטיקים (CNTs), שניהם ממונעים ורב-קיר, מציגים מוליכות חשמלית יוצאת דופן וכוח מכני. בחיישנים אלקטרו-כימיים, CNTs משמשים כמתאמת אלקטרודה שמגבירת את האזור הפעיל ומאפשרת העברת אלקטרונים בין אלקטרודה לבין השתלת ה-Arison. הם יכולים להיות פונקציונליים עם אנזים, נוגדנים, או בדיקות DNA כדי ליצור ביונזירים סלקטיביים מאוד.

המונחים:

דוטים קוונטיים (QDs) הם nanocrystals למחצה פולטים צר, טונה פלואוסטרנס ספקטרום כאשר מתרגשים לאור.תמונות שלהם הרבה יותר עולה על זה של צבעים אורגניים, המאפשר הדמיה לטווח ארוך וגילוי מרובהx. חיישנים מרובים. Inchemical חיישנים, QDs לעתים קרובות מוצפים עם אלמנטים הכרה (למשל, aptams או) כי הם סימנים ספציפיים של סרטן, כגון: QDs) היו מעורבים שינויים.

ננווטים

Semiconductor nanowires (למשל, סיליקון, תחמוצת אבץ) לספק יחס היבט גבוה ומשטח מוגדר היטב עבור biocappators biocappators. התכונות האלקטרוניות שלהם רגישים מאוד לשינויים בתשלום פני השטח, מה שהופך אותם אידיאלי עבור transistor אפקט שדה (FET) חיישנים אנאליים מרובים.

הרחבת היישומים ב- Key Domains

הגמישות של ננו-חומרים אפשרה לחיישנים ביוכימיים לענות על הצרכים הקריטיים במספר תחומים.כאן אנו מפרטים את אזורי היישום הבולטים ביותר.

אבחון רפואי

חיישנים ננוטכנולוגיה-enhanced משנים את האבחון הרפואי על ידי מתן זיהוי מוקדם של המחלה, ניטור רציף, ונקודת-השלב של בדיקות טיפול.לדוגמה, חיישנים פילמוסיים המבוססים על חלקיקים יכולים לזהות FLT:0KRASorisFLT 1 מוטציות גנטיות חיוניות בדם בריכוזי דלקת הדם בריכוזי דלקת ריאות, סיוע באבחון מוקדם של סרטן המעי הגס באופן דומה, לאפשר ל- CNTDicial ל-DVIDDIGate ל-DEXFLT.

ההתקדמות האחרונה כוללת גם ננואידים לבישים לניתוח הזיעה.סיליקון nanowire FETs משובצים ב substrates גמישים יכול למדוד רמות קורטיזול, ביומרקר מתח, מתן תובנות בריאות נפשית וקצבים מתווכים. בניהול מחלות זיהומיות, nanosensens מופעל CRISPR בשילוב עם חלקיקים זהב לאפשר זיהוי מהיר, הוארמי של SARS-Co2 RNA ללא צורך חום עבור מערכות מעקב מורכבות.

פיקוח סביבתי

יישומים סביבתיים דורשים חיישנים שיכולים לפעול בתנאים קשים ולזהות של contaminants.Nanomaterial מבוסס חיישנים פותחו עבור מתכות כבדות, חומרי הדברה, פתוגנים במים, אדמה ואוויר.לדוגמה, מערך פחמן nanotube פונקציונלי עם זיהוי DNA ספציפי כספית יכול לזהות Hg2+ סטיות למטה כדי 0M במים. Quantum do-ofescences שימשו חיישנים קוונטיים כדי ספקטרום של קמצמיגמימים, כדי לספק רגישות שטחית גבוהה יותר.

ניטור בזמן אמת של זיהום אוויר הוא אזור גדל נוסף. חיישנים גז מבוססי ננווט, כגון אלה שנעשו מ- tin דו חמצני, יכול לזהות תרכובות אורגניות תנודתיות (VOCs) ברמות של חלקיקים-במילוניים.כאשר פונקציונלי עם תחמוצת מתכת מסוימת, חיישנים אלה מראיםסלקטיביות כלפי חנקן דו חנקן או תרופה.

בטיחות מזון

מחלות מזון ואירועי זיהום דורשים שיטות זיהוי מהיר באתר.ננוטכנולוגיה-enhanced חיישנים מציעים פתרון על ידי שילוב רגישות גבוהה עם יכולת cy.לדוגמה, חלקיקים מגנטיים המצופה נוגדנים יכולים ללכוד את החיישנים של NLT:0Salmonella קלימיום FLT:1 ממזון, ולאחר מכן תגובה עם חלקיקים מגנטיים המיוצרים על ידי זיהוי אופטיקה (Lexitolware) באופן דומה קידוד חומרים גנובים של פחמן (DLC) גנובים) גנובים תחת ®DNSuriumFLT 1 מ-LNUMFLT:1 מ-LNUMFLT 1 ממאוגניבהוגניבהוגניים) , כמו , כמו , כמו , כמו ®D) ®DNSFLT 1 ממאכלולים ® ® , אשר פותחוגניבהל חומרים , כמו ® , אשר פותחוגנית) , כמו ® ® ® ® , 000 ® ® ® ® ® ® ⁇ מחסנים מחדש של חומרים ® ® ® ® ®D.

(ה) היכולת ל מרובותx היא בעלת ערך מיוחד לבטיחות המזון.הנווטים עם פונקציונליות משטח שונה יכולים לזהות בו זמנית את FLT:0E. coliveFLT:1, FLT:2Listeria monocytogenesuaFLT 3: ו-FLT:4Campylobacter je החוזיםiFLT:5 בדגימה אחת, צמצום הניתוחים מתקופות אלה ועד לתהליכים רגולטוריים.

היתרונות של חיישנים ננוטכנולוגיה-Enhanced

בהשוואה לחיישנים ביוכימיים מסורתיים, פלטפורמות ננוטכנולוגיה-enhanced מציעות סדרה של יתרונות מוחשיים המניעים את אימוץם על פני תעשיות.

  • (FLT:0) רגישות מוגברת: FLT:1 יחס פני השטח הגבוה לנפח ואפקטים קוונטיים מאפשרים זיהוי של חוליות יעד בריכוזים נמוכים כמו יוגורט (10–24 מ) ב nanosensors ברמה מסוימת.יכולת זו חיונית לגילוי מוקדם של בשלב מוקדם של בשלב מוקדם וניתוח אולטרה סגול.
  • (FLT:0)Faster פעמים תגובה: FLT:1 ננוחומרים להקל על העברת אותות מהירה.לדוגמה, חיישנים אלקטרוכימיים באמצעות צינורות פחמן יכולים לייצר שינוי נוכחי ניכר בתוך מילימטרים של מחייב אנאליט, המאפשר ניטור בזמן אמת במערכות דינמיות.
  • (FLT:0) ⁇ וזמינות: FLT:1 בגודל הקטן של אלמנטים ננו בקנה מידה מאפשר שילוב למכשירים שהוחזקו, כתמים לבישים ומערכות מושתלות.זה מקטין את הצורך בכלי מעבדה רבתיים ומאפשר בדיקה מבוזרת בהגדרות מרוחקות או מוגבלות משאבים.
  • (FLT:0) מפרט ספציפי:FLT:1 פונקציונליזציה על פני השטח עם נוגדנים, אדפטמרס, או פולימרים מוטבע מולקולרית מקנה בחירה גבוהה. בשילוב עם תכונות אינטרינריות של ננו-חומר, שיעורי חיובי כוזב הם מופחתים באופן משמעותי.
  • (FLT:0) דגימה ונפחים רציפים: OVAFLT:1 , ננוסנסורים דורשים רק דגימות בגודל מיקרוליטר, צמצום עלויות ובזבוז.זה מועיל במיוחד כאשר דגימות הן נדירות, כגון כתמים ניאונטליים דם או ראיות רגישות משפטית.
  • (FLT:0) יכולות מורכבות: FLT:1 ננו-חומרים שונים ניתן לשלב בתוך פלטפורמה אחת - כל אחד מכוון לזהות משככי כאבים שונים.לדוגמה, שבב מיקרו-השפעה יחיד יכול לארח חלקיקים זהב עבור קריאה חזותית, צינורות פחמן עבור אלקטרו-כימינציה אלקטרו-כימית, ו dots קוונטי עבור barcoding אופטי.

אתגרים ומחקר מתמשך

למרות ההבטחה שלהם, חיישנים ביוכימיים ננוטכנולוגיה עומדים בפני כמה מכשולים שיש לטפל בהם לפני פריסה מסחרית נרחבת.

ייצור:0 (Scalable Manufacturing:FLT:1 Producing ננו-חומרים עם גודל עקבי, צורה וכימיה על פני השטח בקנה מידה תעשייתי נותר קשה.Boch-to-batch וריאציות של הפחתת חיישן הדרגה. החוקרים חוקרים חוקרים בודקים כור סינתזה מיקרו-השפעה ופרוטוקולים פונקציונליים אוטומטיים להשגת אחידות.

(FLT:0) ביו-גמישות והרעלת: ®Nanomaterials יכול לגרום ללחץ חמצון, דלקת, או גנוטוקיות במערכות ביולוגיות.עבור ב vivo או חיישנים מושתלים, הערכות בטיחות קפדניות נדרשים.מחקרים על הצטברות לטווח ארוך וניקוי מתמשך.

(FLT:0)Stability and המדף-Life:FLT:1 חיישנים רבים המבוססים על ננו-חומר מסתמכים על אלמנטים של הכרה ביולוגית (למשל, אנזימים, נוגדנים) שמצמצמצמים לאורך זמן. אסטרטגיות של Encapsulation, lyophilization, והשימוש באופטימיים סינתטיים נחקרים כדי לשפר את היציבות לטווח ארוך.

(FLT:0 interference and matrix Effects: FLT:1 דגימות בעולם האמיתי (למשל, דם, תמצית אדמה, חלב) מכילים תערובת מורכבות שיכול להפריע אותות חיישן.נסעת אותות, לא ספציפית, וטעייה הם נושאים משותפים.אנטיפולינג ציפויים כמו פוליתלין גליקול (G) ופולימרים פולימרים פולימרים פולימרים ztterionic מוחלים על מנת להפחית אותות של חומר לא מדויק.

(הופנה מהדף אלקטרוניקה: ⁇ 1) מעבר ממעבדות לאבטיפוסים ידידותיים למשתמש דורש שילוב חזק של עוברים ננו-חומריים עם מיקרואלקטרוניקה, מקורות חשמל ומודולים להעברת נתונים.דפס אלקטרוניקה, תת-סטריט גמיש, ומודולים תקשורת אלחוטיים משולבים עם ננוסים כדי ליצור מערכות ניידות באמת כמו LTF:2nowFerk5;

(FLT:0) אישור רישום וסטנדרטיזציה: FIRLT:1) תכונות הרומן של ננו-חומרים מציבות אתגרים לסוכנויות רגולטוריות כגון FLT:2U.S. Food and Drug Administration (FDA)FLT:3 וסוכנות התרופות האירופית כיום אין מסגרת סטנדרטית להערכת הבטיחות והיעילות של ננונסרים.

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, כמה מגמות מחקר מבטיח להאיץ את אימוץ של חיישנים ביוכימיים ננוטכנולוגיה-enhanced. First, שילוב של בינה מלאכותית (AI) ולמידה מכונה עם מערך ננו-סנסורים יכול להפיק דפוסים משמעותיים של אותות מורכבים, המאפשרים אבחון של מחלות מרובות-ספק.שני, פיתוח של ננו-רגישים מופעלים מונעים עצמי באמצעות חומרים מאנרגיה (למשל, תחמוצת חמצן רחם) רעילים עבור סוללות ננו-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומרי-חומריים (חומריים) עלולים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים (חומריים) עלולים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים (חומריים) שלהם, לאחר-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומריים-חומר

עוד גבול מרגש הוא השילוב של ננוטכנולוגיה עם כלי CRISPR גנים למדידה ישירה של רצפי חומצה נוקלית ללא הדגימה.מערכות כאלה יכולות לחולל מהפכה בבדיקה הגנטית של טיפול CRISPR, בסופו של דבר, הרעיון של "אבק חכם" - שלבים אדנומיים, תת-מילימטריים החיישן שמתקשרים באופן אלחוטי - מתעמלים מאוד על ננו-חומרים עבור רגישות וכוח מוקדם, בעוד שעדיין מדגימים אלה בראייה מוקדמת.

מסקנה

ננוטכנולוגיה כבר סיפקה שיפורים משמעותיים בביצועי חיישן ביוכימי, המאפשרת זיהוי ברמות רגישות חד-מינית ופתיחה של אזורי יישומים חדשים ברפואה, במדעי הסביבה, בטיחות המזון.זה חלקיקים, צינורות פחמן, דונו-תזונה קוונטית, וננווטים כל אחד מהם תורם מנגנוני חישוב ייחודיים שניתן להתאים למנגנונים ספציפיים לניהול מחלות.